光/Fe3+活化亚硫酸盐降解水中新兴污染物的机理研究

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近年来,以内分泌干扰物、药品及个人护理品等为主的各类环境新兴污染物(Emerging Contaminants,ECs)因具有化学结构稳定和难生物降解特性,在常规水处理技术中难以有效去除,导致其最终进入水环境,对生态系统和人体健康造成潜在危害。基于硫酸根自由基(SO4·-)的高级氧化技术(Sulfate Radical-based Advanced Oxidation Technologies,SR-AOTs)在地表水和地下水治理领域应用广泛。一直以来,SO4·-的产生方式主要是基于过硫酸盐的活化。然而,较高的过硫酸盐消耗成本成为限制SR-AOTs实际应用的主要问题之一。因此,开发过硫酸盐的廉价替代品及相应的活化技术可有效推动SR-AOTs在有机污染物深度治理中的应用。基于亚硫酸盐的各类活化技术近年来在水污染治理领域开始引起关注,亚硫酸盐可从湿法烟气脱硫废液中获得,以亚硫酸盐作为SO4·-等自由基的供体,具有“以废治废”的成本优势。因此,探索常温常压下高效、绿色的亚硫酸盐活化技术是实现亚硫酸盐取代过硫酸盐应用的关键。本研究围绕活化亚硫酸盐技术展开,主要分为三部分:(1)探索254 nm UV活化亚硫酸盐体系(UV/S(IV))降解水中ECs的效能和反应机理;(2)研究Fe3+活化亚硫酸盐体系(Fe3+/S(IV))的反应机制及影响污染物降解的限制因素;(3)探究太阳光耦合Fe3+/S(IV)体系降解ECs的协同效应与机理。由于254 nm UV活化技术相对简单环保、无二次污染,所以选择254 nm UV对亚硫酸盐进行活化。选取两种光活性和解离性质有着显著差异的ECs,即邻苯二甲酸二乙酯(Diethyl Phthalate,DEP)和双酚A(Bisphenol,BPA)作为目标污染物。通过探索UV/S(IV)体系p H值、溶解氧对污染物降解的效能及动力学的影响机制,识别体系中影响活性物质物质转化的关键组分及作用机理。研究结果表明溶液p H是决定UV/S(IV)体系反应物种的关键因素,并且DEP和BPA在碱性条件下更易降解。在酸性条件下,体系中检测到H·、O2·-、·OH和SO3·-的存在,但随着p H的升高,·OH的积累量显著增加。除此之外,结果还发现溶解氧是促进SO3·-向·OH转化的重要条件,酸碱条件下溶解氧被有效利用程度各不相同,酸性条件下存在竞争溶解氧生成O2·-的途径。淬灭实验表明,在碱性条件下,e-aq和·OH分别主导DEP和BPA的降解。此外,碱性条件下,由于DEP的降解是直接利用初级光产物e-aq,使得DEP的间接光解量子效率和矿化程度均高于BPA。论文第二部分选择来源广泛、价格低廉的Fe3+作为活化亚硫酸盐的引发剂,探索Fe3+/S(IV)体系降解目标污染物BPA的途径与机理。重点研究了影响Fe3+/S(IV)体系染污降解的限制性因素。研究结果表明,Fe3+/S(IV)体系能在一定程度上降解BPA,但是对降解环境要求比较严格,仅限于酸性条件下有较好的降解效能。通过检测体系中Fe3+、S(IV)和溶解氧浓度的变化,发现溶解氧与S(IV)的不足是导致体系后期降解污染物停滞的主要原因。分段补充S(IV)和溶解氧虽然能提高BPA的降解,但是效果却不是非常明显。体系中S(IV)是消耗品,所以通过降低Fe3+浓度,降低反应初期Fe3+/S(IV)反应的强度,确保反应后期溶解氧的充足,但是与此同时面临着BPA降解效率降低的困境。除此之外,在体系中检测到·OH和SO3·-,淬灭实验表明体系中污染物的降解是由SO4·-和·OH共同作用,体系中SO4·-的稳态浓度比·OH稳态浓度高,并且首次在体系中检测到高价铁的生成。为了进一步确保低Fe3+浓度下Fe3+/S(IV)体系能持续降解污染物,在第三部分通过引入太阳光,研究自然复氧的条件下太阳光对Fe3+/S(IV)体系的影响,主要关注提高溶解氧的利用率和体系中活性物种的变化。研究发现,模拟太阳光(SSL)和真实太阳光(SL)均能促进Fe2+的生成,大大降低Fe3+的需求量提高了氧气和S(IV)的利用率,从而提高了BPA的降解率。在真实太阳光下分段补充S(IV)能实现对BPA的完全去除,并且太阳光的引入可将体系有效降解污染物的环境p H值拓宽到中性。通过实验发现UV-A(以350 nm为中心)是真实太阳光中促进Fe3+和S(IV)反应的主要光谱波段。除此之外,由SO3·-转化而来的SO4·-和·OH依然是SSL/Fe3+/S(IV)体系中BPA去除的主要贡献者,虽然在SSL/Fe3+/S(IV)体系也检测到了高价铁的存在,但是对BPA的降解作用贡献较小。与Fe3+/S(IV)体系不同的,太阳光的引入能促进体系自由基的转化,使得·OH的含量上升。LC/MS分析表明,SSL/Fe3+/S(IV)体系中BPA降解途径主要包括苯环的羟基化和BPA分子C-C键的β断裂。综上所述,UV/S(IV)体系和光/Fe3+/S(IV)体系均能高效降解水中ECs,研究结果为UV/S(IV)体系和光/Fe3+/S(IV)体系机理提供了新的见解,为有效去除水中的ECs提供了几种有希望替代活化过硫酸盐的技术方法。
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